В 50-е годы 20-го века, когда Гелл-Манн был еще молодым физиком, физика элементарных частиц тоже была «молодой»: только-только начали появляться первые ускорители, с помощью которых заряженными пучками частиц «стреляли» в неподвижные мишени. При этом рождались и новые, доселе неизвестные частицы. Естественно, возник вопрос: как классифицировать эти новые частицы?
В основу своего подхода Гелл-Манн положил понятие зарядовой независимости. Оно состоит в том, что сильное взаимодействие частиц не зависит от знака и величины их электрического заряда. Например, протон и нейтрон имеют почти одинаковые массы, и при этом протон с протоном, протон с нейтроном и нейтрон с нейтроном взаимодействуют одинаково - если речь идет только о сильных взаимодействиях. Следовательно, их можно считать двумя разновидностями одного и того же типа частиц, называемых нуклонами. Принято говорить, что протон и нейтрон образуют дублет (то есть пару). Среди открытых новых частиц также удалось найти частицы, близкие по массе и объединяющиеся в дублеты или триплеты (тройки). Общее название группы, состоящей из любого числа частиц, - мультиплет.
Чтобы отличать различные мультиплеты частиц друг от друга, Гелл-Манн предложил ввести новую физическую величину (ее называют квантовым числом) - «странность».
В 1961 г. Гелл-Манн обнаружил, что система мультиплетов, предложенная им для описания странных частиц, может быть включена в гораздо более общую теоретическую схему, позволившую ему сгруппировать все сильно взаимодействующие частицы в «семейства». Свою схему Г.-М. назвал восьмеричным путем, так как некоторые частицы были сгруппированы в семейства, насчитывающие по восемь членов. Вскоре независимо от Г.-М. аналогичную классификацию частиц предложил израильский физик Ювал Нееман.
Классификацию Гелл-Манна-Неемана часто сравнивают с периодической системой химических элементов Д.И. Менделеева, в которой химические элементы с аналогичными свойствами сгруппированы в семейства. Как и Менделеев, который оставил в периодической таблице некоторые пустые клетки, предсказав свойства неизвестных еще элементов, Гелл-Манн оставил вакантные места в некоторых семействах частиц, предсказав свойства частиц, которые должны заполнить эти вакансии. Эти предсказания были подтверждены при открытии новых частиц.
В 1963 г. Гелл-Манн нашел чрезвычайно простое объяснение своей классификации. Он предположил, что все сильновзаимодействующие частицы состоят из частиц, названных им «кварками». Свойства кварков оказались весьма странными - прежде всего, они должны иметь дробный электрический заряд: +2/3 или -1/3. Существуют также антикварки с зарядами -2/3 или +1/3. Нейтрон, не имеющий электрического заряда, состоит из одного кварка с зарядом +2/3 и двух кварков с зарядом -1/3. Протон, обладающий зарядом +1, состоит из двух кварков с зарядами +2/3 и одного кварка с зарядом -1/3. Кварки с одним и тем же зарядом могут отличаться другими свойствами, т.е. существуют несколько типов кварков с одним и тем же зарядом. Различные комбинации кварков позволяют описывать все сильно взаимодействующие частицы. Независимо от Гелл-Манна существование кварков предположил американский физик Джордж Цвейг.
Кварки до сих пор не удалось обнаружить в свободном состоянии. Для объяснения этого была построена теория их взаимодействия, согласно которой «сила» притяжения кварков не убывает с расстоянием - поэтому их и невозможно «оторвать» друг от друга.
В 1969 г. Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии по физике «за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий».